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Type: TCC
Title: Revestimentos de Cu-In com aplicação eletrocatalítica na reação de desprendimento de hidrogênio
Authors: Crisóstomo, José Wanderson Araújo
Advisor: Correia, Adriana Nunes
Keywords: Eletrodeposição;Solvente euético;Cobre-Índio;Eletrocatálise
Issue Date: 2023
Citation: CRISÓSTOMO, José Wanderson Araújo. Revestimentos de Cu-In com aplicação eletrocatalítica na reação de desprendimento de hidrogênio. 41 f. TCC ( Monografia em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: O hidrogênio é considerado uma alternativa aos combustíveis fósseis devido à sua alta eficiência energética e ao fato de não gerar emissões de dióxido de carbono. No entanto, a obtenção limpa de hidrogênio ainda é um desafio devido ao alto custo energético da eletrólise da água e à necessidade de eletrocatalisadores eficientes para reduzir esse custo. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver e caracterizar revestimentos de cobre-índio em meio eutético a base de cloreto de colina e ureia (a uma razão molar de 1:2) sobre a superfície de aço carbono 1020 e avaliar sua atividade eletrocatalítica na reação de desprendimento de hidrogênio. O foco está em criar catalisadores eficientes que possam reduzir o custo da produção de hidrogênio por eletrólise da água. O sistema foi caracterizado com sucesso por meio de voltametria cíclica, revelando dois picos de redução distintos nas regiões de −0,8 V e entre −1,0 e −1,1 V para as espécies de cobre e índio, respectivamente. A variação de temperatura afetou o processo, com o pico em −0,8 V não sendo evidente a 23,5 ºC, e os voltamogramas a 70 ºC apresentando correntes de pico mais elevadas. Os eletrodepósitos foram obtidos por meio de cronoamperometira e em eletrodeposição de multicamadas, sendo quatro camadas com um tempo de deposição de 3600 s por camada. As variações de ordem das camadas foram: Cu Cu In Cu Cu-In e Cu-In Cu Cu-In Cu. A análise da morfologia dos revestimentos em multicamadas através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) revelou que a temperatura e a ordem de eletrodeposição das camadas de Cu e In influenciaram na morfologia dos filmes metálicos. As multicamadas obtidas a 70 ºC exibiram maior concentração de revestimento. Ambas as amostras apresentaram nódulos e bastões em sua morfologia, porém a amostra iniciada com uma camada de Cu-In mostrou menor dispersão em comparação com o filme metálico iniciado com uma camada de cobre. As propriedades do eletrólito, como viscosidade e coeficiente de difusão, também foram estudas. O aumento da temperatura reduziu a viscosidade do meio e aumentou o coeficiente de difusão das espécies Cu2+ e In3+. A atividade eletrocatalítica dos revestimentos foi avaliada por meio da linearização das curvas de polarização obtidas por voltametria de varredura linear realizados em meio de solução alcalina de KOH 1 mol L−1. Os revestimentos em multicamadas de cobre-índio demonstraram ser promissores como eletrocatalisadores na reação de desprendimento de H2 em meio alcalino com valores de inclinação de Tafel na faixa de 199,17 e 65,83 mV dec−1.
Abstract: Hydrogen is considered an alternative to fossil fuels due to its high energy efficiency and the fact that it does not generate carbon dioxide emissions. However, obtaining clean hydrogen is still a challenge due to the high energy cost of water electrolysis and the need for efficient electrocatalysts to reduce this cost. In this context, the aim of this work is to develop and characterize copper-indium coatings in eutectic medium based on choline chloride and urea (at a molar ratio of 1:2) on the surface of 1020 carbon steel and evaluate their electrocatalytic activity in the hydrogen release reaction. The focus is on creating efficient catalysts that can reduce the cost of hydrogen production by water electrolysis. The system was successfully characterized using cyclic voltammetry, revealing two distinct reduction peaks in the regions of -0.8 V and between -1.0 and -1.1 V for the copper and indium species, respectively. Temperature variation affected the process, with the peak at -0.8 V not being evident at 23.5 °C, and the voltammograms at 70 °C showing higher peak currents. The electrodeposits were obtained by means of chronoamperometira and in multilayer electrodeposition, being four layers with a deposition time of 3600 s per layer. The order variations of the layers were: Cu Cu-In Cu Cu In and Cu-In Cu Cu-In Cu. The analysis of the morphology of the multilayer coatings by scanning electron microscopy (SEM) revealed that the temperature and the order of electrodeposition of the Cu and In layers influenced the morphology of the metallic films. The multilayers obtained at 70 ºC exhibited higher coating concentration. Both samples showed nodules and rods in their morphology, however the sample initiated with a Cu-In layer showed lower dispersion compared to the metallic film initiated with a copper layer. The electrolyte properties such as viscosity and diffusion coefficient were also studied. Increasing the temperature reduced the viscosity of the medium and increased the diffusion coefficient of Cu2+ and In3+ species. The electrocatalytic activity of the coatings was evaluated by linearizing the polarization curves obtained by linear sweep voltammetry performed in alkaline KOH 1 mol L−1 solution medium. The copper-indium multilayer coatings showed promise as electrocatalysts in the H2 release reaction in alkaline medium with Tafel slope values in the range of 199.17 and 65.83 mV dec−1.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/73684
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